ترجمة: ميشيل رحال، الكيمياء العربي
عندما تقوم بتسخين قطعة من الحديد، يتغير ترتيب الذرات عدة مرات قبل أن تنصهر. بسبب هذه الظاهرة الغريبة، يكون الفولاذ (خليطة حديد مع الكربون) قوياً، بدءاً من استخدامه من أباريق الشاي إلى ناطحات السحاب. لكن بقيت معرفة التفاصيل التي تفسر سبب امتلاك الحديد لعدة أشكال، لغزاً محيراً. تقدم دراسة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا Caltech قسم العلوم التطبيقية والهندسية، دراسة حديثة تشرح كيف تلعب مغناطيسية الحديد دوراً مهماً في هذه الخاصية المثيرة للاهتمام، والتي من شأنها أن تفيد العلماء في تطوير أنواع أقوى من الحديد.
يقول برنت فولتز Brent Fultz الأستاذ في قسم علم المواد والفيزياء التطبيقية: “تعامل الإنسان مع الحديد الاعتيادي لآلاف السنين، لكن هذه القضية هي جزء من علم التيرموديناميك التي لم تفهم بعد”.
تحكم قوانين التيرموديناميك السلوك الطبيعي للمواد، فمثلاً تحدد درجة الحرارة، غليان الماء، ومعدل التفاعلات الكيميائية. تحدد نفس القوانين كيف تنتظم الذرات ضمن الجسم الصلب، وفي حالة الحديد، تغير الطبيعة رأيها عدة مرات عند درجات الحرارة المرتفعة.
عند درجة حرارة الغرفة، تنتظم ذرات الحديد ضمن بنية متراصة مفتوحة، عند تسخين الحديد حتى الدرجة 9120C، تصبح الذرات أكثر تراصاً واقتراباً من بعضها قبل أن تعود وتصبح ذات بنية فضفاضة مرة أخرى عند الدرجة 13940C، وينصهر الحديد تماماً عند الدرجة 15380C.
للحديد خواص مغناطيسية عند درجة حرارة الغرفة، وقد تنبأت الدراسات السابقة أن مغناطيسية الحديد تفضل البنى المفتوحة عند درجات الحرارة المنخفضة، لكن عند الدرجة 7700C يخسر الحديد مغناطيسيته. على أية حال، تبقى بنية الحديد مفتوحة لأكثر من 100 درجة فوق منطقة التحول المغناطيسي. يقود ذلك الباحثين إلى الاعتقاد بأنه يجب أن يكون هناك شيء آخر يساهم في خواص الحديد التيرموديناميكية الغريبة.
لهذا السبب، كانت الطالبة ليزا ماوجير Lisa Mauger وزملائها، بالحاجة إلى قلب الحرارة*. تقوم الأجسام الصلبة باختزان الحرارة على شكل اهتزازات صغيرة للذرات، حيث تخلق هذه الاهتزازات عدم الانتظام، أو الانتروبية Entropy. عند درجات الحرارة المرتفعة، تسيطر الانتروبية على قوانين التيرموديناميك، وتكون اهتزازات الذرات هي المصدر الأكبر للانتروبية في الحديد. بدراسة كيف تتغير هذه الاهتزازات مع تغير درجة الحرارة وانعدام الخاصية المغناطيسية، يأمل الباحثون في تعلم ماهو المحرك الأساسي لهذه التغيرات البنيوية.
من أجل ذلك، قام الفريق بأخذ عينات من الحديد إلى المخبر الوطني في آرغون/ولاية إيلينوي والمسمى: High Pressure Collaborative Access Team beamline of the Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory .
يوجد ضمن هذا المخبر مسرع خطي للجسيمات Synchroton، يقوم هذا المسرع بإنتاج ومضات شديدة من الأشعة السينية التي يمكن التحكم بها لكشف الجسيمات الكوانتية للاهتزازات الذرية، حيث تسمى هذه الجسيمات بالفونونات Phonons، حيث تقوم هذه الومضات بإثارة هذه الفونونات ضمن الحديد.
عندما يتم دمج قياسات هذه الاهتزازات مع المعلومات المتوفرة مسبقاً عن السلوك المغناطيسي للحديد عند درجات الحرارة المرتفعة، وجد الباحثون أنّ انتروبية اهتزازات ذرات الحديد هي أكبر مما كانت متوقعة. في الواقع، لقد كان الفائض في الانتروبية مشابهاً لمساهمة الانتروبية من المغناطيسية، مما يدعو للاقتراح بأن المغناطيسية والاهتزازات الذرية تتآثر بشكل متآزر عند درجات الحرارة المعتدلة. يزيد فائض الانتروبية من استقرارية البنية المفتوحة للحديد حتى عند تسخينه مابعد درجة التحول المغناطيسي.
سمحت هذه التقنية للباحثين بالوصول بالخلوص، وبشكل تجريبي ولأول مرة، بأن الماغنونات Magnons، والتي هي جسيمات كوانتية لعزم اللف الذاتي للالكترون Electron Spin، تتآثر مع الفونونات لزيادة استقرارية الحديد عند درجات الحرارة المرتفعة.
“لقد كان يتم التكهن منذ زمن بعيد بأن الاستقرارية البنيوية للحديد، تتعلق بشكل قوي باقتران عميق مابين المغناطيسية والحركة الذرية. إنّ اكتشاف هذا الاقتران من بيانات من تجارب زملائنا، بالإضافة للنتائج الحاسوبية والتي أدت لتوافق ممتاز، كان بالفعل لحظة ممتعة” يقول فريتز كورمان Fritz Körmann، الباحث مابعد الدكتوراه ومن كاتبي هذا البحث العلمي.
“فقط عن طريق دمج الطرق والخبرة من عدة مجالات علمية مثل الميكانيك الكوانتي، الميكانيك الإحصائي، والتيرموديناميك، وباستخدام أجهزة حاسوبية فائقة القدرات، أصبح من الممكن وصف الآلية المعقدة لهذه الظاهرة والتي لها تأثير كبير ضمن أكثر المواد البنائية استخداماً. إن الرؤية التي تم الحصول عليها هي كيف يمكن للتحقق من الاستقرار التيرموديناميكي للحديد، أن يساعد في تصميم أنواع جديدة من الفولاذ الأكثر انتظاماً ” يقول يورغ نوجيباور Jörg Neugebauer من معهد ماكس بلانك MPIE.
لآلاف السنين، جهد علماء التعدين من أجل الحصول على فولاذ أكثر قوة بالطريقة نفسها التي تقوم أنت بتطوير وصفة لألذ كعكة في العالم: تخمن، من ثم تحقق. يبدأ الفولاذ بقاعدة من المكونات العيارية-الحديد والكربون-، بشكل مشابه للمكونات الأساسية للكعكة حيث تبدأ العجينة بالدقيق والزبدة. من ثم تقوم بتخصيص وصفة للكعكة وذلك بتغيير مقادير مكونات أخرى مثل البهارات والمكسرات، يمكن ضبط خواص الفولاذ بإضافة كميات مختلفة من عناصر أخرى كالكروم والنيكل.
بوجود نموذج رياضي للعمليات التيرموديناميكية للحديد عند درجات حرارة مختلفة، يأخذ بعين الاعتبار تأثيرات كلاً من المغناطيسية والاهتزازات الذرية، يمكن لعلماء التعدين اليوم التنبؤ بشكل دقيق بالخواص التيرموديناميكية لخلائط الحديد عند تغيير نسب مكوناتها.
المصدر:
How iron feels the heat. (n.d.). CalTech. Retrieved February 22, 2015, from https://www.caltech.edu/about/news/how-iron-feels-heat-45656
